全自动旋盖机的设计

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 毕 业 设 计 说 明 书 题目 全自动旋盖机的设计 二级学院 直属学部 专业 班级 学生姓名 学号 指导教师姓名 职称 评阅教师姓名 职称 2014 年 11 月 常州工学院毕业设计 摘 要 随着社会的发展 我国的包装行业发展迅速 特别是自动化行业的兴起 随着对 自动化要求的越来越高 原有的机械设备已跟不上社会生产力的日益需求 我国早期 多采取人工包装 操作繁琐 单调 重复 工人劳动强度大 所以本文的设计目的为 全自动旋盖机的的设计 包括了机械 电气控制两大部份 根据原始数据的要求 完 成从理盖 上盖 瓶子的进料 旋盖以及出料等几个工序 只需简单操作就可完成 这 样大大简化了工人的劳动力 达到工业的自动化控制 机械系统包括进料输送机的设 计 旋盖头的设计以及中心转盘的设计 本旋盖机的主要驱动部件包括一台振动料斗 两台交流电机 一台用于旋盖的直 流电机 一台步进电机 以及三根气压杆 通过 PLC 的控制 来安排不同的工序 动 作的先后 各个工序间的无缝配合来完成这样一系列连续的旋盖动作 从而满足工业 自动化的需求 电气控制部分使用了 PLC 作为控制器 然后通过电源 接触器 继电 器 脉冲控制器 以及各个行程开关的开闭配合 设计完成全自动旋盖机的 PLC 编程 也包括了整个系统电气原理图的绘制 利于设备的维护 维修 以及高效可靠地处理 各个信号 以达到整机控制的目的 关键词 包装 自动化 旋盖 输送机 PLC 全自动旋盖机的设计 目 录 1 绪论 1 1 1 旋盖机系统的介绍 1 1 2 旋盖机的国内现状 1 1 3 旋盖机的国外现状 2 1 4 主要研究内容 2 1 4 1 全自动旋盖机的工作方式 2 1 4 2 课题主要内容 2 1 4 3 设计主要的技术参数要求 2 2 全自动旋盖机的总体设计方案 4 2 1 全自动旋盖机的总体设计思想 4 2 2 机械结构的初步设计 4 2 2 1 理盖送盖部分方案的确定 4 2 2 2 送瓶部分的结构方案确定 5 2 2 3 装盖环节的设计 6 2 2 4 旋盖部分的结构方案 6 2 2 5 出料的方案 7 3 主要部件的设计选型及计算校核 8 3 1 理盖部分振动盘的选型 8 3 2 带式输送机的设计 8 3 2 1 带的选型计算 8 3 2 2 同步带 及同步带轮的选型 13 3 3 卡盘的设计以及驱动 14 3 3 1 卡盘的设计以及计算 14 3 3 2 电机的选择 14 3 3 3 驱动器的选择 15 3 4 气压缸的计算及选型 16 3 4 1 选择气缸的类型 16 3 4 2 行程开关类型的选择 16 3 4 3 气缸的选择 16 3 5 旋盖头的设计与计算 18 3 5 1 旋盖头的设计 18 3 5 1 旋盖电机的选型计算 18 3 5 2 永磁体的选择 19 4 电气部分的设计与选型 20 常州工学院毕业设计 4 1 可编程控制器 20 4 1 1 可编程控制器的选择 20 4 1 2PLC 类型的选择 20 4 2 电气元件的选择 22 4 2 1 电源的选择 22 4 2 1 磁性感应开关的选择 22 4 2 2 电磁阀的选型 22 4 2 3 继电器的选型 22 4 2 4 接触器的选型 23 4 3 控制的原理 25 4 3 1 控制的基本原理 25 4 3 2 控制的时序图 26 4 3 3 PLC 端口的分配 26 4 4 电气部分的设计 27 4 5 PLC 程序 27 结 论 28 致 谢 29 参考文献 30 常州工学院毕业设计 1 1 绪论 随着科技社会的发展 我国的包装行业得到迅猛的发展 包括了 医药 化妆品 饮料 等好几个大类 它们是国家生产行业中一个相当重要的群体 涉及了国民的健康 社会 的安定和经济的发展 其中中国饮料行业是其中的一个重要的组成 是改革开放以后发 展出来的新兴行业 是国民生产总值的一个重要的组成部分 20 多年来 饮料行业不 断地发展和改进 改变了以往的很多缺点 产品结构简单 无竞争力的局面 各个新 兴企业的规模和自动化程度不断提高 产品的设计日趋合理 中国的饮料 医疗 化 妆品在品牌方面的发展成果显著 随着市场经济的发展 如何摒弃旧的生产观念 以及节约人力物力 降低成本 节约能 源 提高能源利用率 使用机械设备代替工人的劳动力 是一个相当亟不可待的问题 所以原始的生产方式已经跟不上 日益膨胀的社会需求 如何实现机械自动化 便设想 如能设计一套全自动旋盖系统将十分有利于日益膨胀的社会的需求 1 1 旋盖机系统的介绍 旋盖机主要用于玻璃瓶和 PET 瓶的螺纹盖封口 旋开盖是一种密封可靠 开启方 便的包装盖 材料一般为铝合金 塑料 在旋盖机的作用下旋紧 从而达到密封的效 果 随着社会经济的发展和人民生活水平的提高 旋开盖广泛应用于各种果汁 饮料 果蔬浆 调味料 婴儿食品等瓶装食用包装中 普遍使用的旋开盖直径范围为 32 65mm 有三爪 四抓等结构 在国内俗称三旋盖 四旋盖 旋盖机主要由供盖装置 出瓶机构以及旋盖机头这几个必要的部件组成 近几年来随着食品饮料工业向大规模高效率方向发展 国际上先进的罐装生产线 的生产能力一般都达到 300 500 瓶 min 并将洗瓶 罐装和旋盖组合成整机 这不仅 使设备更加紧凑 减少生产线占地面积 又减小了洗瓶 灌装和旋盖工序之间的输送 距离 对防止产品的二次污染有很大意义 由于原有的直线式旋盖机和回转式灌装机 很难组合成整机 新颖的多头回转式旋盖机就应运而生 这种旋盖机可以和灌装机一 样通过增加头数来增加产量 采用抓盖 旋盖方式的旋盖头不仅适用各种旋开盖的封 口 稍加改动后还能用于其他各种金属 塑料螺纹盖的封口 旋盖机的用前景良好 可在各种食品饮料生产线和制药工业的生产线中广泛应用 然而 在我国应用的罐头旋盖机还存在很多的不足 首先是自动化程度低 经旋 盖机旋盖后仍需进行人工旋盖才能达到加工要求 其次是效率低下 不能满足我国罐 头生产现状 还有就是旋盖质量低 返工率高等问题 这些问题 是由于旋盖机自动 化集成程度低 控制精度不高所造成的 1 1 2 旋盖机的国内现状 现在工业上普遍运用的旋盖机有两大类 一种是直立式搓盖机 另外一种是靠中 间转盘带动的分瓶式的旋盖机 第一种是基于盖已经装在瓶上的情况 第二种虽然有 他自己独立的一套装盖方案 但是还是难以实现无人工干预的全机器操作的工作方式 我国早期多采取人工包装 操作繁琐 单调 重复 工人劳动强度大 包装质量 不高 有些药品长期与人接触还会影响身体健康 由于工业产品千差万别 用户要求 全自动旋盖机的设计 2 各不相同 很难形成统一的灌装模式和定型的包装设备 因而包装工序长期以来成为 连续化生产过程中的薄弱环节 包装工作包括包装材料和容器的制造 印刷 包装工 艺程序的操作和质量检测等 实现包装自动化能有效地提高生产能力 保证产品质量 增加花色品种 有利于食物 药品的清洁卫生和金属制品的防腐防锈并降低生产成本 包装自动化还能改善工作条件 特别是对有毒性 刺激性 低温潮湿性 飞扬扩散性 等危害人体健康的物品的包装尤为重要 以及那些人工难以实现的包装 如无菌包装 药品饮料包装 真空包装 热成型包装等 更加需要实现自动化 伴随电子技术的发 展 包装从单机分离电器为主的低级程序控制发展到多功能全自动包装机和由电子计 算机控制的包装生产自动线 2 1 3 旋盖机的国外现状 国外的旋盖机 在自动化程度上高于我国生产设计的旋盖机 国外有一套自己的 理盖方式 以及全自动的旋盖方案 虽然国外的机器总体水平比我过的高 但是限于 瓶盖的规格以及不同的行业标准等因素 旋盖机很难从国外进口 1 4 主要研究内容 本课题主要研究输送带传动 步进电机 交流电机 PLC 控制等 通过电机控制输送 带 金属杆的运动 步进电机的行程根据任务书的已知条件 对旋盖机及其各个零件 进行设计和总体布置 通过具体的参数计算及工况分析 拟定全自动旋盖机的系统原 理图 完成液压及电气 PLC 控制系统原理图绘制 1 4 1 全自动旋盖机的工作方式 第一部分 瓶子的进给部分 第二部分 瓶盖的进给及装盖部分 第三部分 自动旋盖部分 第四部分 控制部分 主要工作方式 前一流水线上瓶子通过输送带进入旋盖机 通过输送带及转盘 并 将瓶盖轻放在瓶子上 旋紧瓶盖 下料 1 4 2 课题主要内容 1 根据设计要求 收集旋盖机相关资料 并做相关的整理 2 根据已知技术参数 确定旋盖机的总体设计方案 1 理盖部分的设计及选型 2 进瓶部分的设计 3 分瓶机构的设计 4 旋盖头的设计 5 机架的设计 6 材料的选择 3 完成旋盖机的结构设计 采用 SOLIDWORKS CAD 等软件绘制装配图 零 件图 4 拟定 PLC 控制系统原理图 电气控制原理图 常州工学院毕业设计 3 1 4 3 设计主要的技术参数要求 生产能力 50 瓶 分钟 瓶盖尺寸 15 70 毫米 瓶体直径 35 130 毫米 瓶体高度 50 320 毫米 全自动旋盖机的设计 4 2 全自动旋盖机的总体设计方案 2 1 全自动旋盖机的总体设计思想 盖子通过理盖部分 整理完朝向 瓶子通过流水线进入旋盖环节 然后通过机械 结构将瓶盖置于瓶子上方 待旋盖 通过设计一个旋盖头来达到旋紧瓶盖的目的 最 后便可进入出料阶段 2 2 机械结构的初步设计 2 2 1 理盖送盖部分方案的确定 方案 1 图 2 1 理盖方案 1 如图 2 1 瓶盖通过输送带的传输 当经过测距传感器下方时 传感器测出传感器 与瓶盖面的距离为 h 瓶盖向下时距离为 h1 瓶盖向上时距离为 h2 传感器分别以脉 冲的形式传送给 PLC 用 SPD 命令 计算脉冲的密度 从而判断瓶盖的正反向 若反 向 则 PLC 控制气压缸伸出将瓶盖推入下坡的导轨上 重新进入循环 这样就能达到 理盖的目的 方案 2 使用振动送料盘 常州工学院毕业设计 5 图 2 2 E 形缺口 3 通过底座的振动 支承弹簧片以一个角度安装 通电之后产生扭振 使瓶盖在惯 性 自身重力 摩擦力 振动力 多个力的作用下 沿料斗侧面的螺旋槽顺着螺旋方 向向上运动 同时在螺旋槽上开有 E 形缺口 如图 2 2 当盖口向下时 瓶盖运动 到 E 形缺口时会掉落下去 当盖口向上时 瓶盖能顺利通过 E 形缺口 然后完成定 向后的瓶盖从振动盘出口 进入料斗的导轨 这样就完成了理盖 送盖这两个步骤 两种方案的比较 方案 1 控制部分较为复杂 瓶盖还存在第三种情况 两两叠在一起 方案 2 模块化 控制简单 直接可以使用 综上所述 方案 2 更好 因此理盖送盖部分这里初确定常州锐凯公司的振动送料 盘 全自动旋盖机的设计 6 2 2 2 送瓶部分的结构方案确定 因考虑到在实际生产中 整个灌装 旋盖过程是一条流水线 经过查阅资料 灌 装的输送基本上是采用输送带传送 到达指定位置后探针往瓶中注入液体 然后再通 过输送带运走 这里 为了和上一个流水线相连接 也就是灌装环节的连接 这里送 瓶的部分也采用输送带的方式 瓶子通过输送带到达指定位置后 考虑的问题是瓶如何的定位 经过实地的考察 以及网络的资料 目前市场上的旋盖机 瓶的定位方式一般采用直列式的夹紧方式 或者星形卡盘的旋转来完成送瓶的动作 考虑到经济 和动作的复杂程度的问题 这 里初步选用星形卡盘的工作方式 并在下方安装步进电机驱动以迎合进料时的工作节 拍 如图 2 3 图 2 3 卡盘设计思路 2 2 3 装盖环节的设计 瓶盖从理盖振动盘中的导轨上向下运输 导轨延伸到星形卡盘之上 当星形卡盘 带着瓶经过导轨的下方时 这里预先计算好角度 导轨方向可调 瓶口边缘便会卡在 瓶盖下方侧壁边缘带走一个瓶盖 盖装上后 有几种可能性 第一种是正好垂直 这 种情况是我们要的情况 可以直接旋盖 第二种情况是有一点角度需要纠正 所以在 这里还要添加一个压盖装置 于是在下一个工作位 安装一个气压缸 瓶子经过气压 缸下方时气压缸就会工作 下降 将瓶盖压正 以便进行下面的工序 综上所述 就 完成了装盖这个动作 2 2 4 旋盖部分的结构方案 待旋盖的瓶通过星形卡盘旋转到指定位置后 要考虑两个大问题 如何旋盖 和 在旋盖时 瓶身有自转 如何克服这个自转 使瓶身固定 1 如何实现旋盖这功能 当星形卡盘的卡槽内收集了瓶子并装盖完毕以后 这里选用旋盖头的转动 配合 常州工学院毕业设计 7 气缸的上下运动 完成旋盖的动作 旋盖头的设计 以及气缸的具体原理选型 下文 再作详细说明 这里仅是拟定方案 2 如何克服瓶身的自转 在瓶身进入旋盖环节后 选盖头带动瓶盖旋转 当达到一定预紧力以后 极有可 能发生瓶身的自转 这里的方案是 在旋盖头的下方 星形卡盘的侧面 另加一个气 压缸 气压缸的前端加装弧形的金属片前方装有橡胶垫 当星形卡盘旋转到旋盖位后 气缸伸出 同时卡紧瓶身 这样就能克服瓶身的自转 2 2 5 出料的方案 当机构完成以上方案中的几个动作后 即接下来要完成出料动作 所以在完成旋 盖后星形卡盘转过一个角度 将已旋盖的瓶移到出料口上 这里的出料口也配合流水 线 因为下一道工序可能进入贴标环节所以出料口也应符合标准 使用输送带这个运 输方式 这样就完成了一次旋盖的流程 全自动旋盖机的设计 8 3 主要部件的设计选型及计算校核 3 1 理盖部分振动盘的选型 上文提到选用常州锐凯公司的振动送料盘 根据原始数据 瓶盖直径为 15 70 毫 米 生产能力为 50 瓶 分钟 瓶盖高度数据中未给出 所以根据实际生产情况拟定高度 为 10 25 毫米之间 于是根据以上数据 选用常州锐凯公司的 SP 03 型振动送料盘 该振动盘参数 瓶盖高度 10 30 毫米 瓶盖直径 10 75 毫米 进给速度 60 个每分钟 5 振动盘高度 520 毫米 振动盘直径 600 毫米 由于参数符合原始数据的要求 所以理盖方面这里就确定选择常州锐凯公司的 SP 03 振动送料盘 3 2 带式输送机的设计 因实际流水线此处应与灌装流水线相连接 所以输送机长度 也就是进料的距离 由于工况的不同而不同 所以此处且定输送距离 也就是所要设计的输送机长度为 1 5 米 3 2 1 带的选型计算 1 带宽的确定 根据原始数据瓶体直径为 35 130毫米 带速的计算 3 1 SVt 式子中 带走的距离 单位为 m 带走的时间 单位为 in 这里以一分钟为基准所以 为 一分钟带走的距离 至少带 50 瓶S1305213Sm 其中 2 为安全系数t in 将 代入式子 3 1 求得带速约为 6t in0 216 Sms 运载能力 1 50 7 5 minQkgpskg 瓶的散状密度约 3rt 最小带宽 3 2 1 0 5 1in36BtvKCr 式子中 物料系数 取 1 倾角系数 根据输送的倾角为 0 0 3 取 1C 常州工学院毕业设计 9 运载能力 单位Q minkg 瓶的散状密度 单位r3t 将 代入 3 2 求得最小带宽7 5 ik 0 5 r 1K C10 29 Bm 图 3 1 输送带的尺寸表 GBT4490 94 根据计算出的最小带宽 229 7 从上图查得带宽这里取 300mm 2 轮辊间距的确定 轮辊之间的距离 3 3 6730KS 式中 物料系数 取 1 将 代入 3 3 求得轮辊之间的距离1 46 5Sm 通过上述计算以及工况的要求 这里选择 上海韦欣工业皮带有限公司的 2 0 黑 色输送带 300M ZB 其基本参数为 结构 二布二胶 纤维层数 二层 表层材料 聚氯乙烯 总厚度 2m 重量 3 kg 最大生产宽度 0 拉断强度 16 N 表面涂层硬度 75 shoreA 耐温 10 90 最小滚轮直径 25m 横向稳定性 是 3 托辊的选择 全自动旋盖机的设计 10 图 3 2 托辊的尺寸选择 GB 990 91 如图 3 2 所示 因为我们选择的带宽为 300 所以托辊长度 l 取 380 直径m 取 76 89 其余的尺寸如图 3 2 所示 dm120d 14bm0n 4 常州工学院毕业设计 11 图 3 3 托辊的尺寸规定 GB 990 91 托辊的机械外形以及各个尺寸代表的含义如图 3 3 所示 4 滚筒的选择 图 3 4 滚筒的尺寸选择 GBT988 1991 如图 3 2 所示 因为我们选择的带宽为 300 所以滚筒长度 L 取 400 直mm 径 D 取 200 m 全自动旋盖机的设计 12 图 3 5 滚筒的尺寸规定 GBT988 1991 滚筒的机械外形尺寸分布如图 3 5 所示 4 减速交流电机的选择 运送速度的计算 3 4 VnS 式中 0 216 mss 10628rm 滚 筒 周 长 将 代入 3 4 求得转速 为 8Sn0 34 2 minrs 物料重量估算 这里每瓶待旋盖的瓶估算重量为 5 317 kgkg 1 5kg 交流电机功率的计算 3 5 110367LfWVfQhP 式中 输送机水平距离 m 托辊阻力系数 对上有运料的情况f 0 25 3f 单位长度机器运动部分质量 kg 3 6 2qROuqB 其中 单位长度上托辊质量 单位长度上运动部分质量 单位长度上输送带质量2B kgm 于是 估算为W20 kg 带速V ms 输送速度Qt 送料的垂直高度 这里无垂直高度 取 0h 常州工学院毕业设计 13 综上 1 50 29 8 20 16 50 24 5 01367mNkgmsmthP KW 所以约为 在实际工况下 还需用到同步带 同步轮 考虑到摩擦等综合因6 素 这里取安全系数 5 实际功率为 160 24APW 因为交流电机的功率一般为 180W 200W 250W 370W 等 故这里选择 250W 的交流电机 图 3 6 减速交流电机 这里选择 250W 的交流齿轮减速电机 60GU 10K 减速马达如图 3 6 定速型 具体 参数如下 电压 380V 转速比 60 功率 250W 固定转速 21 min 扭矩 33 N 3 2 2 同步带 及同步带轮的选型 1 同步带轮的选型 因选择电机时 已经选择了 1 60 的减速电机 转速已经达到要求 故这里选择同 步带轮时电机的主动轮以及滚筒的被动轮选用同样半径的 也就是同步带的传动比为 1 1 这里初选型号为 25L018BS 的同步带轮 直径为 72m 全自动旋盖机的设计 14 2 同步带的选型 由于本设计的工况属于轻载 所以对同步带的强度不是很高 因此选择 上海五 同同步带有限公司的 STPD SYS S3M 20 同步带 3 物料 瓶 的导向性问题 前文选择的输送机带宽为 300 需运送的瓶体直径最大为 130 考虑到瓶体mm 如何在输送带上定向地运动以及准确地输送到目的地 于是在机架上可以装一个导向 铁片用来限制瓶体的运动 这样瓶就可以顺利地通过输送带到达下一个工位 星形卡 盘上 3 3 卡盘的设计以及驱动 3 3 1 卡盘的设计以及计算 根据原始数据这里初定卡盘一周上有 10 个瓶 所以 360 10 36 所以每两个瓶 中线到圆心连线的夹角为 36 半径初定 400 如图 3 7 m 图 3 7 卡盘槽位的设计 在旋盖机工作时 有四个槽位上是没有瓶子的 也就是说实际工作时转盘上只有 6 个瓶子材料初定为 ABS 塑料 塑料的密度以 0 85 计算 2 gcm 卡盘可根据实际加工瓶身大小而更换 这里只列举一种最大的情况 星形卡盘的质量约 0 85 5500 4710 4 712 gcm 3k 瓶的质量估算为 1 5L 也就是 1 5k 所以 六个瓶质量约为 1 5 6 9 g 总重量约为 9 4 71 1 3 17 8k 其中 1 3 为安全系数 3 3 2 电机的选择 这里初步考虑步进电机与伺服电机 比较其控制方式 步进电机大多为开环控制 不需要 或者说没有反馈 而伺服电机的控制系统比较严密 闭环控制 有反馈 在 价格方面 步进电机价格低廉 伺服电机价格较高 同时步进电机精确度差 而步进 电机精确性好 但考虑到步进电机有一个特性 没有累积误差 每转过一周 也就是 360 会自动补偿误差 也考虑到实际运用的精度需求也不是很高 所以这里选用步进 电机作为星形卡盘的驱动 步进电机 步距角的选择上 因为前面算得 36 为一个节拍 所以这里步距角初 定为 1 8 驱动物体运动 0 3 秒钟 必要脉冲数 常州工学院毕业设计 15 必要脉冲数频率 3 6 1036 时 间 步 距 角 必要脉冲数频率 733 3HZ 301 8 3 7 Fmg 17 89 74 kNg 3 8 PV4 0 3 52 0 523sWK 估算其转速约为 70 inr 所以转矩为 3 9 95 Tn 其中 功率 单位PK 转速 单位 minr 代入得 0 52397 13958 7 inKWTNmr 确定步进电机驱动负载所需要的力矩 方法是在负载的中心上加一根轴 用弹簧 秤拉动轴 拉力乘以力臂长度既是负载力矩 于是经过实验以及上述计算 以转动 36 为准 综合得 需要的扭矩约为 7 5 N 步进电机相数的确定 在选择相数时 相数与步距角有关 因此只要满足选择的 步距角的相数就可以 这里前文需要的步距角为 1 8 所以 这里选择两相的步进电机 于是这里初选型号为 86BYGH5430 的步进电机 其参数如下 步距角 1 8 机身长 151 m 相电压 5 7 V 相电流 3 A 相电阻 1 9 相电感 22 h 静力矩 9 3 N 引线数 4 转动惯量 3 6 2 kgcm 重量 5 3 3 3 驱动器的选择 根据上文选择的步进电机 86BYGH5430 相数为 2 相 引线数为 4 电机属于 86BYG 系列的 根据以上信息 选择步进电机的驱动器为 D2HB882MB 驱动器参数见图 3 8 全自动旋盖机的设计 16 图 3 8 驱动器参数 3 4 气压缸的计算及选型 3 4 1 选择气缸的类型 按操作方式分气缸一般有两种类型 单作用气缸和双作用气缸 单作用 通过气压驱动 通入气体后开 或者通入气体后关 断气后复位 结构 简单 耗气量小 活塞行程短 单作用气缸多用于压紧 印字等 推出时由于内部有 弹簧 所以还要克服弹簧力 因此要比较大的缸体直径 双作用气缸 两个腔体都可以输入压缩空气 它的结构可分为双活塞式 双活塞 杆式 缓冲式和非缓冲式 这类的气缸使用广泛行程长 伸出所需的作用力大于返回 的作用力 综合情况下考虑 这里初定选用单作用型气缸 3 4 2 行程开关类型的选择 行程开关开关 由于气缸运动到极限位置需要反馈给控制器才能控制其缩回 因 此 气压系统里需选择行程开关作为位置检测用 所以需选择一种行程开关 液压 气压系统中常用物理的开关式行程开关 或者磁性开关 普通的物理式开 关控制位置不精确 但是相对来说价格低廉一些 磁性开关位置控制精确 现代工业 生产中普遍运用 使用简便 但是价格相对较高 综上的比较 以及实际运用 这里选择磁性开关作为气压缸的行程开关 由于磁 性开关的特殊性 因此 在选择气压缸的时候 需要其内置磁环 3 4 3 气缸的选择 根据实验 以及实地数据的收集 在以上这种工况下约需 70N 的推力 这里初定 常州工学院毕业设计 17 气压缸的缸径为 32 气压缸个数为三个 m 图 3 9 气缸理论输出表 14 根据图 3 9 缸径 32 受压面积为 3 14 左右 根据上文估算的气压缸输出约m2cm 需 70N 的输出力 所以从表中可以看出 气缸的工作压力为 0 22 0 35 左右 所以mpa 这里选择 CJ2B CDJ2B 弹簧压回式气缸 有关气源 由于工厂的集中气源供气 这里不用选择气泵 而要考虑如何将气体 分配给三个气缸 这里需选择三个减压阀 所以根据气缸的工作压力 这里选择上海 野渡气体设备有限公司的 R41 不锈钢减压阀 全自动旋盖机的设计 18 3 5 旋盖头的设计与计算 3 5 1 旋盖头的设计 旋盖头是旋盖机上最重要的部件之一 在其工作时需保证旋紧的力矩适中 太大 旋不紧瓶盖 太大则会损坏瓶盖 所以这个旋盖头是整个设计的重点 因此这里参考 日本的 OC A2 型旋盖头的设计 这个设计的精妙之处就在于通过边缘的永磁体的吸力 来控制瓶盖的旋紧力度 若达到预定的力 也就是达到瓶盖预先设定的预紧力之后 因为在此时的旋转扭矩大于永磁体相互吸引的力 所以永磁体不足以克服这个力保持 吸附状态发生打滑这样 计算好永磁体间相互的吸引力 就能控制旋盖头的旋盖力矩 初步结构如图 3 10 这里还有一点要说的是 旋盖头最下方的旋盖嘴设计为可更换式 这样就能满足 不同的工况 图 3 10 旋盖头的设计 3 5 1 旋盖电机的选型计算 根据原始数据 需要 50 瓶每分钟的速度 设计的旋盖头与瓶盖的接触时间约为 0 5 秒左右 一般情况下 瓶盖里的螺旋线约为 2 圈左右所以 所需转速约为 21 6 04radrss 其中 1 2 为安全系数 所以电机转速 6 即可满足要求 r3 min 转矩的估算 旋紧瓶盖约需转矩为 1 59 8 147 1 5kgNcNmkgc 根据上面的计算 这里选择型号为 37GARH 的直流小型电机 其参数为 常州工学院毕业设计 19 电源 DC 24V 直径 37 空载转速 500 minr 额定转速 400 额定扭矩 2 5 kgc 额定电流 1 2 A 外形尺寸不含轴 37 95 重量 0 3 价格 65 元 额定转速 400 360 minr inr 额定扭矩 2 5 1 5 kgc kc 故满足要求 3 5 2 永磁体的选择 上文提到旋紧瓶盖需 1 5 的扭矩 因为旋头有自重所以为了安全起见 设永 磁体的吸力为 2 永磁体间接触面积约为 7 kg2cm 磁力计算公式 3 10 4965BFS 代入得 22 7kgcm B 2653 9G 所以需选择上下一共 14 块接触面积为 1 的 2600 高斯左右的永磁体 2c 全自动旋盖机的设计 20 4 电气部分的设计与选型 4 1 可编程控制器 4 1 1 可编程控制器的选择 在全自动旋盖机的控制方面 需要选择一稳定性较高的可编程逻辑控制器 现可 选的有 单片机和 PLC 两种控制器 单片机 单片机是一种非常集成的电子控制芯片 是一种集成电路 内部复杂 有中央处理器 CPU 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 和外界许多个 I O 口组成 内部有中断器 计时器 定时器等功能 可以集中在一块小型的 PCB 板上从而形成一 个小的微型计算机系统 优点是体积小 成本低 但是维护较复杂 PLC PLC 实际上是一种专门用于工业的逻辑控制器 其硬件结构上基本与微型计 算机相类似 主要工作方式为 输入采样阶段 用户程序执行阶段 输出刷新阶段 反复执行这三部 因而形成了 PLC 的扫描周期 PLC 在工程运用中相比单片机来说较 可靠 也就是俗称的可靠性 PLC 不需要太多的连线以及电子元件 抛弃了繁杂的电 路 有完善的断电保护 以及各个厂家反馈的错误代码 用来诊断错误 PLC 相对于 单片机来说 操作相对简单很多其编程语言的易用性 可以大大地降低程序的错误率 PLC 的还有一个易操作性的优点 PLC 的电气图与梯形图相似容易掌握 对维护操作 人员的要求也不高 综上所述 本次的课题为全自动旋盖机的设计 属于工业生产范畴 对于稳定性 的要求比较高 而且本次设计的旋盖机属于中型机械设备 因此 对于体积来说 没 有太多的要求 不需要功能化的嵌入式系统 所以这里选择 PLC 作为本次设计旋盖机的逻辑控制器 4 1 2PLC 类型的选择 PLC 的输出类型有继电器和晶体管两种类型 1 晶体管输出工作原理 继电器是一种电子控制器件 它具有控制系统 又称输入回路 和被控制系统 又称输出回路 通常应用于自动控制电路中 它实际上是用较小的电流去控制较 大电流的一种 自动开关 电磁式继电器一般由铁芯 线圈 衔铁 触点簧片等组 成的 只要在线圈两端加上一定的电压 线圈中就会流过一定的电流 从而产生电磁 效应 衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯 从而带动衔铁 的动触点与静触点 常开触点 吸合 当线圈断电后 电磁的吸力也随之消失 衔铁 就会在弹簧的反作用力返回原来的位置 使动触点与原来的静触点 常闭触点 吸合 这样吸合 释放 从而达到了在电路中的导通 切断的目的 从继电器的工作原理可 以看出 它是一种机电元件 通过机械动作来实现触点的通断 是有触点元件 晶体 管是一种电子元件 它是通过基极电流来控制集电极与发射极的导通 它是无触点元 件 2 继电器及晶体管输出的主要差别 由于继电器与晶体管工作原理的不同 导致了两者的工作参数存在了较大的差异 下面进行比较说明 常州工学院毕业设计 21 驱动负载不同 继电器型可接交流 220V 或直流 24V 负载 没有极性要求 晶体管型只能接直流 24V 负载 有极性要求 继电器的负载电流比较大可以达到 2A 晶体管负载电流为 0 2 0 3A 响应时间不同 继电器响应时间比较慢 约 10ms 20ms 晶体管响应时间比较快 约 0 2ms 0 5ms Y0 Y1 甚至可以达到 10 us 使用寿命不同 继电器由于是机械元件受到动作次数的寿命限制 且与负载容量有关 可以看出 随着负载容量的增加 触点寿命几乎按级数减少 晶体管是电子原件只有老化 没有 使用寿命限制 3 继电器与晶体管输出的主要原则 继电器型输出驱动电流大 响应慢 有机械寿命 适用于驱动中间继电器 接触 器的线圈 指示灯等动作频率不高的场合 晶体管输出驱动电流小 频率高 寿命长 适用于控制伺服控制器 固态继电器等要求频率高 寿命长的应用场合 在高频应用 场合 如果同时需要驱动大负载 可以加其他设备 如中间继电器 固态继电器等 方式驱动 4 使用中要注意的事项 目前市场上经常出现继电器问题的客户现场有一个共同的特点就是 出现故障的 输出点动作频率比较快 驱动的负载都是继电器 电磁阀或接触器等感性负载而且没 有吸收保护电路 因此建议在 PLC 输出类型选择和使用时应注意以下几点 一定要关注负载容量 输出端口须遵守允许最大电流限制 以保证输出端口的发 热限制在允许范围 继电器的使用寿命与负载容量有关 当负载容量增加时 触点寿 命将大大降低 因此要特别关注 一定要关注负载性质 感性负载在开合瞬间会产生瞬间高压 因此表面上看负载 容量可能并不大 但是实际上负载容量很大 继电器的寿命将大大缩短 因此当驱动 感性负载时应在负载两端接入吸收保护电路 尤其在工作频率比较高时务必增加保护 电路 从客户的使用情况来看 增加吸收保护电路后的改善效果十分明显 根据电容的特性 如果直接驱动电容负载 在导通瞬间将产生冲击浪涌电流 因 此原则上输出端口不宜接入容性负载 若有必要 需保证其冲击浪涌电流小于规格说 明中的最大电流 一定要关注动作频率 当动作频率较高时 建议选择晶体管输出类型 如果同时 还要驱动大电流则可以使用晶体管输出驱动中间继电器的模式 当控制步进电机 伺服 系统 或者用到高速输出 PWM 波 或者用于动作频率高的节点等场合 只能选用晶 体管型 PLC 对扩展模块与主模块的输出类型并不要求一致 因此当系统点数较多而 功能各异时 可以考虑继电器输出的主模块扩展晶体管输出或晶体管输出主模块扩展 继电器输出以达到最佳配合 6 本设计对控制要求并不高 只需要满足时序 以及工作节拍 所以对输入输出点 全自动旋盖机的设计 22 的个数要求也不是很高 所以这里初选 PLC 型号为 FX1n 的 PLC 整个控制系统 需要控制的执行元件有 步进电机 控制方式 脉冲 工作节拍 交流电机 控制方式 触电 启停 直流电机 控制方式 触电 启停 气压缸的电磁阀 控制方式 触电 线圈 气压缸的磁性行程开关 控制方式 触电 线圈 振动料斗的启停 控制方式 触电控制开 关 根据上面的分析 我们这里选的 PLC 必须具备脉冲输出的功能 因此 PLC 脉冲输 出的形式必须有晶体管形式的 这里初步选择 FX1n 24MT 001 考虑到成本原因 这 里没有选择功能更强的 FX2n 系列的 PLC 带继电器输出和晶体管输出 以加装中间 继电器的形式来弥补 FN1n 24MT 001 晶体管形式输出不能带交流负载以及功率较大负 载的缺点 4 2 电气元件的选择 4 2 1 电源的选择 本次设计 需要特殊电压的用电器有 驱动器电源 24V 直流电机 24V 继电器的线圈供电 24V 电磁阀的线圈供电 24V 脉冲供电 5V PLC 自带 24V 的电压输出 由于 24V 的负载较多 单靠 PLC 供电很有可能超过 PLC 的负载极限 因此我们这里另外选择外接的开关电源 来满足 24V 以及 5V 的供 电要求 根据上述要求 这里选择 兵装 公司的 AC DC 机壳式开关电源 分别有 220V 的输入端 以及两路 24V COM 接地端 单路 5V 及 COM 接地端 4 2 1 磁性感应开关的选择 本全自动旋盖机用到三个气压缸 因此需选择三个磁性感应限位开关 由于这里 选择的气缸属于小型气缸 所以这里选择宁波江东若水自动化设备有限公司的 KT 32R 的磁性感应限位开关 4 2 2 电磁阀的选型 上文提到电磁阀的线圈电压为 24V 以及气压缸的工作压力为 0 22 0 35mpa 左右 根据这个数据 我们选择 KOGANEI 公司的 180 4E1 PLL DC24V 电磁阀 4 2 3 继电器的选型 继电器是一种电子控制器件 用于工业控制 常用于自动化控制系统中继电器 在这里我们的作用是用较小控制电压 去控制大电压 也起到了电气隔离的作用 用 来保护 PLC 以及人体的安全 常州工学院毕业设计 23 于是这里选择欧姆龙公司的继电器 具体型号参数如图 4 1 所示 图 4 1 欧姆龙继电器 20 根据图 4 1 以及先前的参数 这里选择 MY2J 这个型号的继电器 然后必须为这 个型号的继电器选择底座 图 4 2 欧姆龙继电器底座 20 根据图 4 2 的描述 我们选择继电器的底座为 PYF08A E 适用于我们上面选择的 型号 MY2J 全自动旋盖机的设计 24 4 2 4 接触器的选型 接触器 Contactor 是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场 使触头闭合 以达 到控制负载的电器 接触器由电磁系统 铁心 静铁心 电磁线圈 触头系统 常开 触头和常闭触头 和灭弧装置组成 其原理是当接触器的电磁线圈通电后 会产生很 强的磁场 使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁 并带动触头动作 常闭触头断开 常开 触头闭合 两者是联动的 当线圈断电时 电磁吸力消失 衔铁在释放弹簧的作用下 释放 使触头复原 常闭触头闭合 常开触头断开 在电工学上 因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制 某些型别可达 800 安培 电路的装置 所以经常运用于电动机做为控制对象 也可用作 控制工厂设备 电热器 工作母机和各样电力机组等电力负载 接触器不仅能接通和切断 电路 而且还具有低电压释放保护作用 接触器控制容量大 适用于频繁操作和远距 离控制 是自动控制系统中的重要元件之一 在工业电气中 接触器的型号很多 电 流在 5A 1000A 的不等 其用处相当广泛 交流接触器利用主接点来开闭电路 用辅助接点来导通控制回路 主接点一般是 常开接点 而辅助接点常有两对常开接点和常闭接点 小型的接触器也经常作为中间 继电器配合主电路使用 交流接触器的接点 由银钨合金制成 具有良好的导电性和 耐高温烧蚀性 交流接触器动作的动力源于交流通过带铁芯线圈产生的磁场 电磁铁 芯由两个 山 字形的幼硅钢片叠成 其中一个固定铁芯 套有线圈 工作电压可多 种选择 为了使磁力稳定 铁芯的吸合面加上短路环 交流接触器在失电后 依靠弹 簧复位 另一半是活动铁芯 构造和固定铁芯一样 用以带动主接点和辅助接点的闭 合断开 20 安培以上的接触器加有灭弧罩 利用电路断开时产生的电磁力 快速拉断 电弧 保护接点 接触器具可高频率操作 做为电源开启与切断控制时 最高操作频率 可达每小时 1200 次 接触器的使用寿命很高 机械寿命通常为数百万次至一千万次 电 寿命一般则为数十万次至数百万次 15 通过中间继电器的转换 这里就能直接用接触器去控制交流负载 由于负载电压 为 220V 或者 380V 所以所要求的电压为 220V 380V 之间 常州工学院毕业设计 25 图 4 3 交流接触器 19 这里选择无锡台安公司的 CU 18 型接触器 根据图 4 3 所示 该接触器的额定电 压为 110V 380V 满足上文要求的电压 220V 380V 所以可以选择本型号的接触器 4 3 控制的原理 4 3 1 控制的基本原理 本设计的动作先后顺序为 打开总开关 PLC 开始工作 机器这时不做动作 按 下启动按钮 也就是 PLC 的一个触电闭合 这时此触电控制的中间继电器线圈得电 使得接触器的线圈也得电 接触器控制交流电机的运转 以及振动料斗的运行 这一 路为交流控制 用电器 另一路 PLC 触点闭合后 PLC 的输出点控制直流电机的 24V 电压的回路开闭情况 这个时候振动料斗运行 输送机的两个交流电机运行 24V 的 直流电机运行 以上动作开始运行以后 实际工况为 振动料斗的振动 自动理盖开始 瓶盖自 动顺着流道向下运动到等待区 同时输送机的电机转动 通过减速机 同步带的传动 使得输送带开始运动 瓶子由于输送带的带动 向前运送 这个时候 旋盖头也在直 流电机的带动下开始不停地旋转 然后 PLC 向驱动器发送一个频率的脉冲 脉冲带动步进电机转动一个特定的角度 步进电机转完后 PLC 控制三个电磁阀的工作 开关的开闭 控制气缸 气缸到达限 位后 磁性开关将这个位置的信号反馈给 PLC 这个时候 控制电磁阀的关闭 实际的动作是 步进电机带动的星形卡盘带着瓶子转动一个角度 本工况为 36 转过时 瓶口带出一个瓶盖 然后进入下一个工位 第二个工位时气缸下压 将瓶 身上的瓶盖压平 这样以便下一个工序 接下来一个气压缸伸出将瓶身压紧 防止自 转 然后另一个带动旋盖头的气缸下压 完成旋盖这个工序 最后随卡盘的转动将加工完成的瓶身导向输送机出口 这样就完成了整个旋盖工 全自动旋盖机的设计 26 作 4 3 2 控制的时序图 图 4 4 时序图 如图 4 4 整个旋盖机控制 运动的思路基本上这样 4 3 3 PLC 端口的分配 输入 X000 启动 X001 停止 X002 气缸 1 限位 磁性开关 X003 气缸 2 限位 磁性开关 X004 气缸 3 限位 磁性开关 输出 Y000 输送机的启停 Y001 步进电机 脉冲输出 Y002 气缸 1 伸出 电磁阀 Y003 气缸 2 伸出 电磁阀 Y004 气缸 3 伸出 电磁阀 常州工学院毕业设计 27 Y005 直流电机的启停 Y006 振动料斗的启停 4 4 电气部分的设计 电气设计的总体思路 两台 250W 的交流电机分别给予 380V 的电源 由接触器控 制启动停止 并使用热继电器来保护电路 过载保护 用于理盖的振动料斗 由 220V 供电 由一继电器控制启停 步进电机的驱动器 由一个开关电源供电 24V 脉冲由 PLC 供给 驱动器得到信号后 控制步进电机转动 直流电机由电源供给 24V 电压 并由 PLC 控制启停 三个气压缸 由电磁阀控制伸出与缩回 电磁阀由 PLC 控制 电 磁阀的电源由 24V 开关电源提供 4 5 PLC 程序 全自动旋盖机的设计 28 结 论 全自动旋盖机作为饮料 药品灌装流水线上不可缺少的一部分 其生产性能 将 大大影响到整条灌装流水线的运作 机器的质量以及生产的精度对企业的影响也颇为 巨大 直接影响到企业的口碑以及利润 所以本文的设计重在考虑机器的稳定性 大 大减少次品率 本设计是一种通用的旋盖机构 稍作调节 便能满足各种工况 并且 具有结构紧凑 使用方便 维护维修简单 充分考虑余量 电气控制精简 安全方面 也做到了低压高压的隔离 在突发情况下不容易发生危险 本设计着重考虑到了流水 线的运作 并且与上一个灌装工序连接相当简便 在选盖头的设计上 通过运用弹簧 杆缓冲 以及永磁体间的吸引力 来减少气缸下压的冲击力和控制旋盖后瓶盖的预紧 力 这样可以大大减少出现次品的概率 控制方面也选择了价格比较低廉的 FX1n 系列 的 PLC 程序编写也比较简单 调试方便 在设计中也不能只片面地考虑一个单元 一个模块 应该整体地考虑机器的可行 性 这样后期就不会出现这样那样的问题 在本次设计中也出现了很多的困难 由于 前期的欠考虑以及专业知识的浅薄 不过这些困难在资料的收集 以及自己的研究下 迎刃而解 系统的整体分析设计是一项复杂又艰难的工作 同时又是一个充满挑战 充满乐趣的过程 在设计过程中遇到问题 问题分析 查阅资料 请教工程师 最后 使问题得到完美解决 本设计的旋盖机设计中严格按照原始数据 对于不同大小的瓶盖只需简单进行调 整就能适应 本设计基本满足原始数据的要求 常州工学院毕业设计 29 致 谢 四年的校园生活快接近尾声 十分的不舍 在此 要感谢的是培育我的母校 在 这四的母校生活中有欢笑 有悲伤 有苦 有乐 学到了很多从来没有接触过的专业 知识 在电机学院学习一天天日子在目 说毕业真有些许不舍 这里最想感谢的是指导我的韩雄飞老师 没有韩老师就没有我今天的成绩 韩老 师从选题开始就悉心地指导我 每周二我都会准时地赶到 601 韩老师的办公室 给他 汇报这一周的进度 以及毕业设计中所遇到的问题 刚开始的我只有书本上的理论知 识 基本上没有实际的工作经验 很多设计的零件实际都不方便加工以及生产 韩老 师都一一从工艺方面给我讲解 然后根据他多年来的经验给我最优化的方案 建议 韩老师在指导我时的工作态度也非常严谨 记得当时我设计旋盖头那一块时 给韩老 师看我的方案 由于这一个方面比较冷门 有些地方的设计韩老师也不确定可行性 但是他并没有草草地敷衍我 而是叫我把方案留下来 自己研究好再给我意见 韩老 师的这个做法令我甚是感动 感谢机械学院所有的老师 是他们教会了我机械方面的知识 让我在毕业设计中 乃至以后工作中能得心应手 还要感谢我的同学陈龙 马徐涛 朱成龙 徐晨雨等 是他们在毕业设计的过程中和我讨论方案 共同攻破一个个难关 也十分感谢网络上 素未谋面的好心人 当我在 3D 中遇到问题时是他们在网络上一步步指导我 最终使我 达到目的 最后我要感谢我的父母亲 父母从小培育了我 督促我的学习 抚养我长大成人 扶正我成长的方向 在毕业设计中 虽然他们不能给我设计上的建议以及专业知识方 面的帮助 但是在我设计遇到困难时 鼓励我 给我信心使我十分感动 帮助过我的人太多了 这里有可能遗漏 所以也感谢在这次毕业设计中给过我帮 助的所有人 全自动旋盖机的设计 30 参考文献 1 张继安 王建勤 全自动回旋式旋盖机 A 轻工机械 2002 2 42 43 2 李修渠 李法德 四六旋玻璃瓶封口机的研制 A 农机与食品机械 1997 1 10 11 3 严书华 一种通用瓶盖理盖器与旋盖机构的设计 J 福建 机电技术 2007 4 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